直接升华法从茶叶中提取咖啡因

2018-05-14张玉竹陈凯旋唐建城李强林肖秀婵

成都工业学院学报 2018年2期

张玉竹　陈凯旋　唐建城　李强林　肖秀婵

摘要：以绿茶末为原料，采用单因素实验研究非索氏提取的直接升华法从茶叶中提取咖啡因的工艺条件。考察了固化剂种类和用量、蒸馏水用量、水解固化反应温度与时间、升华温度与时间等因素对咖啡因提取产率的影响。研究结果表明，最佳工艺条件为：细度为150目的10.0 g茶叶末，固化剂氧化钙为0.20 g，蒸馏水用量为10～12 mL，水解固化温度为80～85 ℃反应90～100 min，咖啡因提取率为1.238%。

关键词：茶叶；咖啡因；水解；固化剂；升华

中图分类号：G 633.8 文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2018）02-0054-04

Direct Separation of Caffeine from Tea by Sublimation

ZHANG Yuzhu， CHEN Kaixuan， TANG Jiancheng， LI Qianglin， XIAO Xiuchan

（Department of Architecture and Environmental Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract：The preparation of caffeine is mainly based on the extraction of caffeine from tea. Using green tea as the raw material， the single factor experiment was used to study the process conditions for the extraction of caffeine from tea by the direct sublimation method but nonsoxhlet extraction. The effects of the type and amount of curing agent， amount of distilled water， temperature and time of hydrolysis and curing reaction， temperature and time of sublimation on caffeine extraction yield were investigated. The results showed that the optimum conditions were as follows： 10.0 g tea powder with 150 fineness， 0.20 g calcium oxide as curing agent， 1012 mL distilled water， and 8085 ℃ hydrolytic curing temperature for 90100 min. The yield of caffeine extraction was 1.238%.

Keywords： tea； caffeine； hydrolysis； curing agent； sublimation

茶在中国的种植地域广阔，四川、云南、福建、浙江、广西、海南等南方各省均有大面值种植[1]。2016年我国茶叶种植面积我为29 333 km2，年產干毛茶叶达258万t[2]。

但是，在茶树的修剪与茶叶的采摘分类管理中，会扔弃大量的弱枝残叶。在茶叶的生产加工过程中会产生大量的碎末等下脚料。若能将这些茶叶作为原料合理利用，用于提取深加工系列产品，不仅可以提升茶的产值、降低因焚烧等产生的环境污染[3]。

由于茶叶中含有咖啡因1%～5%，还含有儿茶素类20%～35%、黄酮甙类、花青甙类、单宁酸及茶碱等30多种具有抗氧化性能的酚类物质——茶多酚[4]。因此，茶叶的深加工系列产品茶多酚、咖啡因在食品和医药方面有广泛应用。

咖啡因又名咖啡碱，学名1，3，7-三甲基-2，6-二氧嘌呤，化学式C8H10N4O2，相对分子质量194.2。咖啡因是一种黄嘌呤衍生物，无臭，味苦，属于生物碱[5]。咖啡因在医药、食品饮料行业的市场前景广阔[6-8]，研究咖啡因的提取制备工艺，提高产率产量，实现清洁化生产具有重要意义[9]。

目前，从茶叶中提取咖啡因的方法主要有：有机溶剂提取法[10]、水-有机溶剂提取法[11]、超临界CO2提取法[12]、离子液体提取法[13]、水提法[14]。前两种方法工艺比较成熟，但使用大量有机溶剂，在生产过程中存在安全隐患，且溶剂消耗比例大，耗能大，成本高。超临界CO2提取法的操作复杂，使用仪器精密昂贵，导致成本高。水提取法避免使用有机溶剂，但浓缩耗时长，耗能大，成本相对较高。无溶剂直接升华法提取咖啡因具有绿色环保、工艺简单方便的特点，但近期研究报道较少[15]。

本文采用非索氏提取的直接升华法从茶叶中提取咖啡因，通过粉碎、固化反应、焙炒、升华等工艺，探索简便、安全、节能环保的最佳提取工艺。

1 材料与实验方法

1.1 材料与试剂

四川峨眉山碎茶末200目；工业级氧化钙、碳酸镁、碳酸钙、氢氧化钙（均为成都科龙化工试剂厂），蒸馏水为实验室纯水机自制。

1.2 主要仪器设备

HX500A高速中药粉碎机（浙江永康市溪岸五金药具厂），转速2 500 r/min；NB9240AD电热鼓风干燥箱（台式电热恒温鼓风干燥箱）；981B型可调恒温电热套（苏州市宏兴科教仪器厂）；FA1100电子天枰（上海舜宇恒平科学仪器厂）；X4数字显微熔点测定仪（北京泰克仪器有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程路线

本实验的工艺流程路线如图1所示。

1）粉碎茶叶末：将500 g茶叶放于中药粉碎机中25 000 r/min高速粉碎5 min，停顿3 min，重复3次，并用200目不锈钢筛分离，筛下细粉备用。

2）浸润：取用茶叶细粉10.0 g于100 mL烧杯中，加入适量的蒸馏水，用玻璃棒搅拌均匀。

3）加入固化剂：向烧杯中加入一定量的固化剂粉末（氧化钙、碳酸镁、碳酸钙、氢氧化钙），用玻璃棒搅拌均匀，粉末变成墨绿色团粒或浆糊状。

4）水解固化反应与干燥：将烧杯放入60～110 ℃的恒温鼓风烘箱中反应60～130 min，得到墨绿色块状固体，转入碾钵中碾成细粉。

5）焙炒：在加热套上放上2个重叠的蒸发皿，下面的蒸发皿稍大一些，装有细砂，上面的蒸发皿稍小一些，四周紧贴在细砂上。将碾细的混合物全部转入小蒸发皿上，100 ℃加热焙炒至灰黑色干粉状。

6）升华：将小蒸发皿内壁粘附的物质全部刮于底部，保持内壁边缘干净，并使粉末平铺于底部，再将刺有许多小孔的圆形滤纸平稳放于小蒸发皿内（滤纸毛面朝上），保持滤纸与粉末有1～2 cm的距离，并将一支干燥洁净的普通玻璃漏斗（漏斗底部用一团棉花堵住）倒置于小蒸发皿上，使其尽可能与蒸发皿闭合。将砂子加热至200～220 ℃，仔细观察漏斗内是否有大量白雾，观察滤纸上是否有晶体生成，防止滤纸变成焦黄色，若在升华过程中，玻璃漏斗内壁出现大量水珠（焙炒未彻底），则快速更换另一只干燥洁净的玻璃漏斗，以免因咖啡因溶于内壁水滴中而收集不到咖啡因晶体，大约30～45 min，滤纸上出现大量晶体后，停止加热，再让预热继续升华5 min，漏斗内白雾消失后，小心取出滤纸，用洁净的硬纸片刮下产品于称量纸上，称量得咖啡因。

1.3.2 固化剂类型对产率的影响

用碳酸镁、碳酸钙、硫酸钙、氧化钙分别做固化剂，其用量0.25 g，考察4种固化剂对咖啡因升华产率的影响。

1.3.3 固化剂用量对咖啡因产率的影响

选用氧化钙和氢氧化钙为固化剂，实验条件：碎茶叶末10.0 g，固化反应温度80 ℃，反应时间70 min，蒸馏水10 mL，氧化钙用量为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 g。

1.3.4 水解固化反应时间对咖啡因产率的影响

实验条件：碎茶叶末10.0 g，蒸馏水10 mL，氧化钙用量为0.20 g，固化反应温度80 ℃，水解固化反应时间为60、70、80、90、100、110、120、130 min。

1.3.5 水解固化反应温度对咖啡因产率的影响

实验条件：碎茶叶末10.0 g，蒸馏水10 mL，氧化钙用量为0.20 g，水解固化反应时间为90 min，反应温度为60、65、70、75、80、85、90、95、100 ℃。

1.3.6 蒸馏水用量对咖啡因产率的影响

实验条件：碎茶叶末10.0 g，氧化钙用量为0.20 g，水解固化在80 ℃，反应90 min，蒸馏水4、6、8、10、12、16、18 mL。

2 结果与讨论

2.1 固化剂类型对产率的影响

分别用碳酸镁、碳酸钙、硫酸钙、氧化钙为固化剂，其用量0.25 g，考察4种固化剂对咖啡因升华产率的影响，结果见表1。

由表1可知，4种固化剂对咖啡因升华产率的由低到高的顺序为：碳酸钙<硫酸镁<氢氧化钙<氧化钙，其提取率都高于0.630%，其中氧化钙固化效果最好，提取率达到0.973%，而氢氧化钙与氧化钙固化效果比较接近，提取率达到0.928%。因此，选用氧化钙作为固化剂较佳。

2.2 固化剂固化原理分析

分别用碳酸镁、碳酸钙、氢氧化钙、氧化钙作为固化剂，与茶叶中单宁酸或水解生成的没食子酸（见图2）等酸性物质反应生成不溶性的钙盐或镁盐而固化（见图3），使咖啡因游离出来，避免单宁及没食子酸与咖啡因形成难溶性的盐不利于升华（见图4） [9]。

2.3 固化剂用量对咖啡因产率的影响

由图5可知，随着固化剂（氧化钙或氢氧化钙）用量的增加，咖啡因提取的产率也逐渐增加，当氢氧化钙用量达到0.25 g时，咖啡因的提取产率达0.876%，当氧化钙用量达到0.20 g时，咖啡因的提取产率达0.973%。若继续增加氧化钙用量，其提取率无明显增加。这是因为氧化钙与体系中的水作用生成氢氧化钙，氢氧化钙的钙离子与茶叶中丹宁水解出来的没食子酸作用生成不溶性的钙盐，避免没食子酸与咖啡因形成难溶性的盐，有利于咖啡因的提取。当氧化钙增加到0.20 g时或氢氧化钙的用量为0.25 g时，体系中的没食子酸几乎全部形成了钙盐，继续增加氧化钙的用量，对咖啡因的提取贡献不大。因此，氧化钙的最佳用量为0.20 g。

2.4 水解固化反应时间对咖啡因产率的影响

由图6可知，随着水解固化反应时间的增加，咖啡因提取的产率逐渐增加，当时间达到90 min时，咖啡因的提取产率达0.973%，时间达到100 min时，其产率达1.079%。若继续增加水解固化时间至130 min，其升华提取率仅增加0.053%，产率增加很小。这是因为随着时间的增长，茶叶中的丹宁水解的没食子酸的量增加，并与钙离子形成难溶性盐而固化使其不易升华，有利于咖啡因的提取，当时间到达100 min时，茶叶中丹宁水解基本结束，不再有没食子酸与钙离子结合，100 min后再延长水解固化时间对咖啡因提取产率提高不明显。因此，其最佳水解与固化时间为90～100 min。

2.5 水解固化温度对咖啡因产率的影响

图7表明，随着温度的升高，咖啡因提取的产率逐渐增加。当温度达到80 ℃时，咖啡因的提取产率达0.986%；当温度达到85 ℃时，其提取产率达1.053%。若继续升高温度至100℃，咖啡因提取产率提高仅0.061%，增加不显著。这是因为随着温度的升高，茶葉中丹宁水解的速率增大，没食子酸与钙离子形成难溶性的钙盐的速率也增大，当温度到达80～85 ℃时，丹宁水解程度达到较大，反应90 min后，水解固化也基本完成，继续升高温度对咖啡因的产率提高不大。因此，其最佳温度为80～85 ℃。

2.6 蒸馏水用量对产率的影响

由图8可见：随着蒸馏水的用量增加，咖啡因产率先显著提高，再趋于平缓。当水量增加到10 mL时，咖啡因的提取产率达0.965%；当水量增加到12 mL时，提取率达1.026%。若继续增加水量至18 mL，对咖啡因的产率仅提高0.043%。这可能是因为随着水量增加，茶叶浸润的程度增加，茶叶中单宁酸、水杨酸等酸性物质溶解量增加，更有利于加快水解反应速率，而使固化剂与酸性物质中和固化量增加，更有利于茶碱游离出来，从而使咖啡因升华提取产率增加，当水质几乎全部可溶性酸都溶解、水解和成盐固化后，提取率达到最高值，增加水量对咖啡因提取量增加不显著了。因此，蒸馏水最佳用量为10～12 mL。

由图6～图7的曲线变化规律可知，提取时间和温度对咖啡因的提取极为显著，最佳实验条件为：氧化钙用量为0.20 g，水用量为10～12 mL，反应时间为90～100 min，反应温度为80～85 ℃时，咖啡因的产率最高。

2.7 优化条件下的平行实验

结合以上的数据分析结果，根据直接升华法从茶叶中提取咖啡因的水解固化最佳工艺条件下进行

实验平行3次，产率分别为1.233%，1.231%，1.250%，平均产率为1.238%。

由此可知，平行实验重现性良好，直接升华法从茶叶中提取咖啡因的水解固化最佳工艺条件组合为：氧化钙用量为0.20 g，水用量为12 mL，反应时间为100 min，反应温度为85 ℃时，咖啡因的提取产率可达到1.238%。

2.8 熔点测定

将提取所得的咖啡因经数字显示显微熔点测定仪检验其熔点为235～237 ℃，符合GB14758—2010《食品安全国家标准食品添加剂咖啡因》，表明本研究提取的咖啡因为合格产品。

3 结语

1）直接升华法从茶叶中提取咖啡因的最佳工艺条件是：氧化钙用量为0.20 g，水用量为10～12 mL，反应时间为90～100 min，反应温度为80～85 ℃时，在此条件下咖啡因的提取产率为1.238%。

2）该方法减少了传统的溶剂提取法中的索氏提取器抽提工序和蒸馏工序，且不需使用大量有机溶剂，工艺简单、安全性能好、容易操作、節能环保等特点。

3）该方法提取所得咖啡因为针状结晶。

参考文献：